Freescale Semiconductor Und läuft und läuft und läuft ...

Redakteur: Jan Vollmuth

Der Standard IEEE 802.15.4 legt eine unkomplizierte und kostengünstige Funklösung für dezentral installierte Sensoren oder Steuerungsmodule fest. Jetzt stehen ZigBee-Plattformen der

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( Archiv: Vogel Business Media )

Der Standard IEEE 802.15.4 legt eine unkomplizierte und kostengünstige Funklösung für dezentral installierte Sensoren oder Steuerungsmodule fest. Jetzt stehen ZigBee-Plattformen der zweiten Generation zur Verfügung, mit denen sich Produkte ohne großen Aufwand mit einer standardkonformen Funkschnittstelle ausrüsten lassen.

Wollte man früher einen Sensor dezentral installieren, sei es in einem Gebäude oder einer Wohnung, in einem landwirtschaftlichen Betrieb oder gar im menschlichen Körper, musste man entweder Kabel verlegen oder eine proprietäre Funklösung entwickeln. Diese Zeiten sind vorbei: Verschiedene Hersteller bieten heute fertige Funklösungen auf Basis des WPAN-Standards (Wireless Personal Area Network) IEEE 802.15.4 an, mit denen batteriebetriebene Sensornetzwerke aufgebaut werden können.

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IEEE 802.15.4 – auch ZigBee genannt – wurde im Mai 2003 als erster Standard verabschiedet, der mit niedrigen Bitraten (max. 250 KBit/s) und geringer Sendeleistung (nominale Sendeleistung -3dBm) arbeitet und in erster Linie für Projekte gedacht ist, die über Monate oder Jahre hinweg aus Batterien (Li, Alkali) gespeist werden sollen. Unter realen Einsatzbedingungen variiert die Reichweite solcher Funklösungen von 10 bis 40 m in Gebäuden bis zu einigen hundert Metern im Freien.

Mithilfe dieses Standards können für Strom sparende Sensoranwendungen, die mit einer Alkali-Batterie vom Typ AA oder AAA arbeiten, Produkte entwickelt werden, die praktisch über die gesamte Lagerfähigkeit der Batterie funktionieren. Diese Lösungen sind zudem sehr kostengünstig: Aktuelle Produkte der zweiten ZigBee-Generation kosten bei gleichen Stückzahlen bereits weniger als Bluetooth-Lösungen.

Ein typisches ZigBee-Modul der jüngsten Generation besteht z.B. aus einem 2,4-GHz-Single-Chip-Transceiver/MCU MC1321x von Freescale, einem 16-MHz-Quarz und einer Chipantenne – und ist dennoch so klein wie eine Lithium-Knopfzelle. In Kombination mit einem Beschleunigungs-, Druck- oder Druck-/Temperatursensor von Freescale kann ein Entwickler Sensoren rasch und unkompliziert überall dort einsetzen, wo sie benötigt werden, ohne sich über Abmessungen oder Kosten des Endprodukts Gedanken machen zu müssen. Entwicklungskits wie das 13213-NCB (siehe Bild) bieten zahlreiche I/O-Funktionen wie Schalter, LEDs, 10-Bit-A/D-Wandler, digitale Ein- und Ausgänge, integrierte Sensoren sowie eine Netzwerkanbindung über serielle oder USB-Ports und die entsprechende Software. Damit lassen sich mit geringem Aufwand intelligente Sensorfunktionen mit integrierter Standardfunkschnittstelle realisieren.

IEEE 802.15.4 ist eine bidirektionale Funktechnologie. Für den Standard wurden vier Pakettypen definiert: Die für die meisten Szenarien wichtigsten Pakettypen sind die so genannten Daten- und Acknowledgement-Pakete. Die sendende Station verschickt das Datenpaket und erwartet im Gegenzug ein Acknowledgement-Paket, mit dem der Empfänger signalisiert, dass das Paket fehlerfrei angekommen ist. Typische Laufzeiten für eine Übertragung in beide Richtungen betragen 2 bis 3 ms.

Um die Batterielebensdauer zu maximieren, werden in der Regel der Funkteil, die MCU, Sensoren und andere Schaltungsteile abgeschaltet, sobald sie nicht benötigt werden. Der im Beispiel verwendete Beschleunigungssensor liefert bereits 1000 ?s nach dem Einschalten stabile Daten. Zieht man zudem die geringe Stromaufnahme (500 ?A) in Betracht, so ist es am einfachsten, den Sensor aktiv zu lassen und die MCU zwischen den einzelnen Messungen abzuschalten.

Ein dritter Pakettyp namens Beacon kann für eine noch geringere Stromaufnahme in vollständig batteriebetriebenen Netzwerken herangezogen werden, z.B. für Sensoren, die für landwirtschaftliche Zwecke über ein Feld verteilt werden sollen. Sensoren, die im Beacon-Modus arbeiten, wissen, wann ihre Nachbarn empfangsbereit sind und verbrauchen daher keine Sende- oder Empfangsleistung zu Zeiten, wo dies nicht der Fall ist. In dieser Betriebsart ergibt sich eine optimale Energiebilanz, allerdings muss man mit längeren Latenzzeiten rechnen.

Vereinfachte Entwicklung Batterie sparender Funklösungen

Dazu ein Beispiel: In die Sohle eines Laufschuhes soll ein funkgestützter 3-Achsen-Beschleunigungsmesser eingebaut werden. Dazu kombiniert man den MC1321x-Baustein von Freescale mit einem 3-Achsen-Sensor, 3 Chipwiderständen und 4 Chipkondensatoren – fertig ist der Funksensor.

In diesem Beispiel sollen die Beschleunigungsspitzen sowie das Abknicken des Fußes nach innen bzw. das Abkippen nach außen (die so genannte Pronation) beim Auftreffen auf den Boden erfasst werden. Daher müssen der Sensor und die MCU während des Betriebs jede ms für etwa 100 ?s aktiviert werden, um eine kontinuierliche Messwertaufnahme zu gewährleisten. Der Sende- und Empfangsteil muss jedoch nur alle hundert ms eingeschaltet werden, um die gesammelten Daten per Funk auf das Datendisplay und das Monitorgerät am Handgelenk des Läufers oder den Handheldcomputer des Trainers zu übertragen. Mit dieser Funklösung können Laufdaten wie etwa Pronations- und Dämpfungswerte, Schritt, Geschwindigkeit und Takt exakt gemessen und an den Läufer in Echtzeit übermittelt werden.

Der Sensor verbraucht im Normalbetrieb weniger als 500 µA und im Schlafmodus – also zwischen den einzelnen Messungen – lediglich 3 µA Strom. Abhängig von der jeweiligen Rechengeschwindigkeit nimmt die MCU 5 bis 10 mA auf, im Schlafmodus nur wenige ?A und im Tiefschlafmodus deutlich unter einem ?A. Unter normalen Betriebsbedingungen muss der Funkteil Pakete mit einer Wiederholfrequenz von 0,1 bis 10 Hz übertragen, die restliche Zeit bleiben Sender und Empfänger abgeschaltet. Während des Betriebs beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme des Gesamtsystems nur 5 bis 10 mA. Steht der Schuh wieder im Regal, sinkt die Stromaufnahme auf wenige ?A. Dementsprechend reicht die Kraft einer einzelnen CR2032-Knopfzelle – je nach Batteriekapazität und Nutzungsprofil – für 40 Stunden kontinuierlicher Übermittlung detaillierter Telemetriedaten. Der Läufer spürt davon praktisch nichts: Das zusätzliche Gewicht im Schuh beträgt weniger als 30 g.

Dieses Beispiel unterstreicht, wie einfach bereits existierende oder in der Konzeptphase befindliche Produkte mit einer unkomplizierten, standardkonformen Funkanbindung ausgestattet werden können. Für die Einhaltung des Protokolls und die Qualifizierung sind die Anbieter der verschiedenen Halbleiterplattformen verantwortlich – der Entwickler kann sich ganz auf sein Endprodukt konzentrieren.

Freescale Semiconductor, Tel. +49(0)89 921030

*Jon Adams ist Director Radio Technology and Strategy bei Freescale Semiconductor in Tempe, US-Bundesstaat Arizona

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